Карбюраторы ранних автомобильных двигателей мало чем отличались от описанного выше — они также представляли собой сочетание бака и карбюратора, также работали по барботажному принципу, имели подогрев топлива змеевиком, обогреваемым водой или газами. Регулирование количества поступающей В двигатель смеси осуществлялось поворотным золотником, второй такой же золотник служил для регулирования поступающего воздуха, т. е. для регулирования состава смеси. Очевидные недостатки карбюраторов этого типа (их применение на автомобилях относится к 60-м годам прошлого столетия) заставили конструкторов того времени искать иных решений.
Были сделаны попытки вообще отказаться от внешнего смесеобразования и ввести жидкое топливо непосредственно в цилиндр. Например, еще в 1873 г. был построен двигатель, в котором как тогда писали, «расыленный бензин вдувался в рабочий и цилиндр». Была опробована и подача бензина в специальную камеру, расположенную в головке цилиндра либо за впускным клапаном, либо перед ним. Для подачи топлива в камеру использовался скалочный насос с приводом от эксцентрика.
В применении к автомобильным двигателям следует упомянуть систему Гордон—Бриллие, являвшуюся устройством для принудительной подачи топлива во впускной тракт посредством вращающегося колеса, впадины которого отмеривали дозы топлива для каждого рабочего цикла. Была предложена также система подачи топлива, во впускную трубу диафрагменным насосом (1902 г. — система Вилен), а несколько позже — система Жапи с центробежным насосом и своеобразной системой регулирования топливоподачи в зависимости от частоты вращения двигателя. Сложность этих систем ограничила их применение, а появление в 1897 г. нового карбюратора пульверизационного (распыливающего) типа и особенно создание карбюраторов с автоматическим регулированием состава смеси (1903—1905 г. — системы Кребс, Бразье, Морз) надолго приостановило работы по механической подаче топлива. Интересно отметить единичный случай применения системы принудительной подачи топлива на авиационном двигателе Антуанетт времен первой мировой войны, имевшем 24 цилиндра. Карбюраторную систему питания этого двигателя из-за неравномерного распределения смеси по цилиндрам не удалось осуществить, и конструкторы были вынуждены применить впрыск. Интерес к системам впрыска для авиационных двигателей в то время был вызван также необходимостью обеспечить их работу в любом положении. Однако последняя задача была успешно решена путем совершенствования авиационных карбюраторов. В дальнейшем появление систем впрыска в авиации было связано с потребностью повысить удельную мощность поршневых двигателей. В конце 30-х годов впрыск топлива нашёл широкое применение на авиационных двигателях, используемых во второй мировой войне. Для наземного транспорта того времени характерно монопольное применение карбюраторных систем питания.
Основная схема современной карбюраторной системы питания окончательно сложилась в 30-е годы. На типичных для того времени однорядных длинноходных двигателях с нижним расположением клапанов применялся обычно однокамерный (для восьмицилиндровых двигателей — двухкамерный) карбюратор с падающим потоком. Регулирование состава смеси для различных режимов нагрузки двигателя достигалось совместной работой главной системы и системы холостого хода, имелся экономайзер и насос-ускоритель; предусматривалось также устройство для обогащенья смеси при пуске и прогреве двигателя. Большое внимание уделялось качеству распыла топлива в карбюраторе и значительно меньшее — вопросам смесеобразования во впускной трубе. Впускной трубопровод для улучшения испарения топлива снабжался местным газовым подогревом.
Работы в области систем впрыска для автомобильных двигателей в это время носили поисковый характер, причем базой для их проведения служили как опыт применения систем впрыска на авиационных двигателях, так н большие успехи, достигнутые в конструировании и производстве топливной аппаратуры для быстроходных автотракторных дизелей. Многочисленные эксперименты показали, что замена карбюраторной системы питания системой впрыска позволяет увеличить мощность двигателя и улучшить его экономичность. Вместе с тем стало очевидным, что применение систем впрыска на автомобильных двигателях требует создания нового сложного агрегата — автоматического регулятора состава смеси, обеспечивающего регулирование подачи топлива в зависимости от режима работы двигателя. Большая сложность и высокая стоимость систем впрыска позволяли применять их только на двигателях гоночных автомобилей, для которых могла быть использована упрощенная программа регулирования; высокая стоимость аппаратуры не имела здесь решающего значения.
Новый этап в развитии систем питания начался после второй мировой войны. Послевоенное автостроение было поставлено перед задачей создания перспективных моделей двигателей. В американской практике основным направлением явилась разработка V-образных восьмицилиндровых двигателей, конструкция которых позволила в дальнейшем резко увеличить литровую мощность. Эти двигатели сначала оборудовались двухкамерными, а в последующем — четырехкамерными карбюраторами; в период так называемой «гонки мощности» применялись варианты и с двумя четырехкамерными карбюраторами. Создание этих систем питания выдвинуло ряд новых задач, решение которых привело к появлению нового типа четырехкамерного карбюратора, ставшего обычным для двигателей этого класса. В европейской практике послевоенный период развития был связан с двигателями гораздо меньшего литража с рядным расположением цилиндров. Рост литровой мощности протекал также при увеличении числа камер карбюраторов или числа карбюраторов; наиболее широкое использование нашли двухкамерные карбюраторы. Исследуя возможности повышения мощности перспективных моделей двигателей, большинство крупных фирм уделило внимание и возможностям использования систем впрыска. Был выполнен большой объем исследовательских и конструкторских работ, в итоге которых появились опытные образцы автомобильных двигателей с впрыском топлива. Первый двигатель с непосредственным впрыском был установлен на автомобиле Мерседес Бенц 300SL, выпуск которого был начат с 1954 г. Высокая динамика автомобиля с впрыском топлива и ряд удачно выбранных параметров обеспечили большой успех этой модели. Вместе с тем аппаратура впрыска фирмы «Бош» оказалась весьма сложной в производстве и эксплуатации. Дальнейшие исследования, проведенные фирмой «Мерседес Бенц», показали, что равноценные результаты можно получить при переходе от впрыска в цилиндр К впрыску во впускные патрубки двигателя и что при этом конструкция аппаратуры может быть значительно упрощена. Переход к системам, впрыскивающим топливо во впускные патрубки, позволил значительно расширить область применения впрыска и ввести его начиная с 1961 г. в качестве варианта системы питания для шестицилиндровых двигателей с рабочим объемом от 2,2 до 3,0 л, а в последующем для восьмицилиндрового двигателя с рабочим объемом 6,3 л. Близкая по схеме система впрыска была создана фирмой «Кугель-фишер»; она устанавливалась на автомобилях Пежо н на автомобилях БМВ. Несколько раньше появилась система впрыска Лукас, базирующаяся на применении не плунжерного насоса, а дозатора-распределителя оригинальной конструкции. После удачных опытов на гоночных автомобилях эта система устанавливалась на автомобилях Мазератти, а затем также на автомобилях Ягуар и Триумф. Другое направление в конструировании аппаратуры впрыска было связано с применением систем, подающих топливо во впускную трубу не циклично, а непрерывно. Такая аппаратура была создана фирмой «Рочестер» (США) и устанавливалась на автомобилях Корветт. В настоящее время система непрерывного впрыска выпускается фирмой «Текалемит Джексон» (Англия); имеются сведения о разработке системы этого класса также и фирмой «Бош» (К-Джетроник).
В перечисленных выше системах впрыска регулирование состава смеси осуществлялось пневматическими или механическими регуляторами.
Следующий период развития систем впрыска связан с применением электронных регулирующих устройств. Первые конструкции таких систем были опробованы фирмой «Бендикс» в середине 50-х годов, но американский автомобильный рынок того времени не имел условий для их сбыта.
Новый этап развития систем питания был обусловлен возникновением проблемы снижения токсичности отработавших газов. Эта проблема оказалась первостепенной в связи с законодательным ограничением допустимых норм содержания токсичных составляющих в отработавших газах автомобилей. Было установлено, что отработавшие газы серийных двигателей с искровым зажиганием и карбюраторной системой питания содержат токсичные составляющие в количествах, превышающих установленные нормы. Борьба с токсичностью отработавших газов ведется по двум основным направлениям. Первое из них связано с обезвреживанием отработавших газов путем дожигания или нейтрализации содержащихся в них токсичных составляющих. Практическая реализация таких устройств наталкивается на значительные трудности, возрастающие с ростом требований к качеству очистки.
Второе направление в решении этой проблемы связано с использованием в двигателях иных, более совершенных рабочих процессов, например процессов с послойным сжиганием смеси, с факельным зажиганием и др. Несмотря на большой объем проведенных работ и многообещающие результаты выполненных исследований, в настоящее время двигатели такого типа не заняли сколько-нибудь значительного места в общем объеме производства автомобильных двигателей. Поэтому основное внимание сейчас уделяется дальнейшему совершенствованию обычных двигателей с искровым зажиганием. Не затрагивая работ, направленных на совершенствование камер сгорания и систем зажигания, следует отметить, что большая часть достижений в этой области связана с совершенствованием системы питания. Исследования показали, что высокая токсичность отработавших газов двигателя с искровым зажиганием не является неизбежной и что она связана не столько с принципиальными особенностями рабочего процесса, сколько с несовершенством реальных двигателей. Рассматривая единичный цикл одноцилиндрового двигателя, можно установить, что при точно заданном составе сгорающей в цилиндре смеси отработавшие газы могут практически не содержать продуктов неполного сгорания. Однако в реальном многоцилиндровом двигателе состав смеси в различных цилиндрах неодинаков, и при подборе регулировки общего для всех цилиндров карбюратора в различных цилиндрах неизбежно получается разный состав отработавших газов. Устранение неравномерности распределения смеси по цилиндрам двигателей с карбюраторной системой питания требует больших доводочных работ по подбору формы впускного трубопровода, причем трубопровод, дающий хорошие результаты на каком-либо одном режиме работы двигателя, может быть далеко не оптимальным для других. Поскольку автомобильный двигатель в процессе эксплуатации используется в широком диапазоне режимов, приходится мириться с неравномерным распределением смеси на некоторых из них. Особенно сложно решение этой задачи для двигателей с многокамерными карбюраторами и большими сечениями впускного тракта.
Более подробные исследования показывают также, что в одном и том же цилиндре двигателя состав смеси от цикла к циклу может быть неодинаков. Это связано со сложными явлениями при истечении топлива из жиклеров эмульсионных карбюраторов и может иметь место в результате пульсационных процессов во впускном тракте. И в этом случае изменением регулировки карбюратора также невозможно устранить периодические выбросы токсичных составляющих; ограничение подобных явлений требует проведения серьезных исследований с последующим изменением элементов системы.
Состав подаваемой карбюратором смеси не всегда остается постоянным. Он зависит от температуры и давления окружающего воздуха и от теплового состояния двигателя. Поэтому регулировка, обеспечивающая минимальное выделение токсических составляющих отработавших газов, при изменении условий будет изменяться; в результате чего токсичность будет возрастать.
Известно, что для уменьшения выделения токсичных составляющих следует прекращать подачу топлива на режимах торможения двигателем. Для этой цели используются специальные автоматические устройства, либо встраиваемые в карбюратор, либо устанавливаемые на впускном трубопроводе. Введение’ перечисленных устройств усложняет конструкцию карбюраторов, повышает их стоимость и создает большие затруднения при их эксплуатационных проверках. Это является дополнительной прет посылкой для дальнейшего развития систем впрыска легкого топлива.
системах впрыска равномерность распределения топлива по цилиндрам и от цикла к циклу зависит от характеристик топливоподающих элементов и может быть выдержана в весьма узких пределах, причем проверка ее легко осуществляется при испытаниях аппаратуры на безмоторных стендах. В современных автоматических регуляторах состава смеси, применяемых в системах впрыска, обычно предусматривается корректирование состава смеси по температуре и давлению воздуха, а также по тепловому состоянию двигателя; в регуляторе может быть предусмотрено и отключение подачи при торможении двигателем. Введение всех этих устройств в системах впрыска с пневматическим и механическим регулированием осуществимо, но приводит к значительному усложнению аппаратуры. Сложная программа регулирования наиболее просто реализуется в системах с электронным управлением, где легко вводятся электрические датчики, позволяющие учитывать влияние любых факторов без существенного усложнения аппаратуры.
Применение электронных управляющих устройств обеспечивает стабильность настроенной программы и создает возможность быстрой и точной проверки настройки в условиях эксплуатации путем подключения электрического диагностического оборудования без демонтажа узлов аппаратуры с автомобиля.
Указанные преимущества обусловили значительное распространение аппаратуры впрыска, в первую очередь наиболее перспективной аппаратуры впрыска с электронным управлением. Аппаратура этого типа по лицензиям Бендикс была разработана фирмой «Бош», начавшей ее массовый выпуск с 1967 г. Аппаратура впрыска топлива с электронным управлением была применена сначала на автомобилях Фольксваген-1600, предназначенных для экспорта в США. Установка аппаратуры позволила полностью удовлетворить жесткие требования американских норм, токсичности отработавших газов. Аналогичная аппаратура позже была установлена на ряде моделей автомобилей Опель, Вольво, Сааб, Ситроен, Рено, БМВ. Показательно, что аппаратура впрыска с электронным управлением была использована на автомобиле Мерседес Бенц 250 взамен механической системы впрыска и что новые модели двигателей Мерседес Бенц с рабочими объемами 3,5 и 4,5 л имеют систему впрыска топлива с электронным управлением в качестве единственного варианта системы питания.
Аппаратура впрыска топлива с электронным управлением подготавливается к выпуску фирмой «Лукас»; есть сведения о подготовке производства аппаратуры и в США фирмой «Бендикс» и фирмой «Ниссан» в Японии.
В СССР работы по применению впрыска легкого топлива для автотракторных двигателей в довоенные годы велись в HATH. Они базировались на использовании плунжерных насосов дизельного типа и пневматических систем регулирования. В результате проведенных исследований была показана возможность повышения мощности и улучшения экономичности двигателя при переходе от карбюраторной системы питания к системе впрыска. Были сформулированы основы теории регулирования состава смеси двигателей с впрыском топлива и предложена конструкция автоматического регулятора состава смеси.
В послевоенные годы работы по впрыску легкого топлива проводились в НАМИ. Совместно с Горьковским автозаводом была разработана и испытана система непрерывного впрыска для двигателей ГАЗ. Испытания опытных образцов дали положительные результаты, но в процессе исследования было установлено, что при применении системы непрерывного впрыска трудно обеспечить оптимальное дозирование топлива на малых скоростях движения автомобиля.
Большие работы по созданию и внедрению аппаратуры впрыска для автомобильных двигателей ведутся в Центральном научно-исследовательском и конструкторском институте топливной аппаратуры (ЦНИТА), где были исследованы возможности использования для питания автомобильных двигателей различных систем впрыска — с плунжерными насосами, с дозаторами-распределителями, систем непрерывного впрыска и систем впрыска с электронным управлением. С начала 60-х годов основным направлением работ института является создание и внедрение аппаратуры впрыска с электронным управлением. Разработанная аппаратура испытана на двигателях различных классов с рабочим объемом от 1,2 до 7 л. Спроектированные совместно с ГАЗ опытные образцы аппаратуры для оценки ее надежности были испытаны в эксплуатационных условиях, причем общий пробег составил более 5 млн. км. Аппаратура впрыска с электронным управлением принята в качестве серийной системы питания для перспективного автомобиля ГАЗ-14 «Чайка»; первая партия аппаратуры изготовлена в 1971 г. Ленинградским карбюраторным заводом. В настоящее время ведутся работы по применению аппаратуры впрыска с электронным управлением на автомобилях ГАЗ-24, «Москвич», ВАЗ, а также на автобусах и пожарных автомобилях.